因此，为适应现代电子设备的冷却需要而迅速发展起来的热设计及热分析技术，受到了
广泛的重视。电子设备热技术主要包括热设计、热分析和热测试。
热分析是指用理论或数值模拟的方法对将要设计的电子设备进行分析，它有两条重要的
要求：[6]
(1) 预计各元器件工作的环境温度；
(2) 使热设计最优化，以提高可靠性。
热分析的目的是以最大经济效益来获得热设计所需要的准确信息，由于热分析不需消耗
硬件，因此热分析较热测试成本低；另外，设计阶段热分析可以通过简单的定性分析进行检
查。例如，材料和器件安装位置的改变很容易通过分析来判断是否合理；反之，若通过热测
试来判断，则需一些列的硬件，花费很大。因此，一般用热分析的方法进行评价，以便判断
候选方案是否可取。而热测试通常只用于最有希望选中的设计方案，以便检验预计的结果。
鉴于电子设备热设计技术在保障电子设备可靠运行方面的关键作用，美国 70 年代就颁
发了可靠性热设计手册，以指导军用以及民用电子设备的热设计。欧洲和日本也随后对热设
计开始重视，并发布了一系列的热设计标准和准则。
现在国外在热分析技术方面的发展比较成熟，理论方面有相当丰富的技术积累，应用上
也取得了很多成果。国内由于总体电子科技水平发展比国外落后，在时间的需求上也落后于
国外，所以在电子设备热设计方面的研究大大滞后于国外，但近年来随着 IT 等微电子技术
和航空航天的快速发展，热设计的研究工作开始逐渐增多。
经过数年的努力, 国内电子设备热设计技术的应用已取得了很大的成绩, 自然冷却、风
冷、液冷、蒸发冷却、双相流冷却、热管、热电致冷等技术均已在相应的设备中得到了应用。
我国于 1992 年发布了国家的军用标准 GJB/Z27-92《电子设备可靠性热设计手册》，相继制
订了一系列的电子设备热设计的部标、国标、国军标等标准文件，主要有[7-9]：
（1） 半导体器件散热器技术条件；
（2） 型材散热器、叉指型散热器、印制板组装件温度测试方法；
（3） 电子设备用热管性能测试方法；
（4） 组合散热器、电子设备强迫风冷热特性测试方法；
（5） 电子设备热鉴定程序；
（6） 机载雷达热设计规范；
（7） 电子设备可靠性热设计手册；
（8） 军用电子设备热设计通用规范；
（9） 电子设备热设计名词术语；
（10）机载电子设备与系统热性能鉴定通用要求；
（11）电子测量仪器热分布图等。
这些热设计标准为电子产品的热设计提供了基本的理论和计算方法, 是进行热可靠性
的分析的根本依据,为设备的可靠性提供了保证。
1.2 主要研究方法
现在国内外研究的电器设备中电子元器件热设计和热分析主要有以下几种方法：
（1）电模拟回路法
利用电路分析方法，将热流等效为电路的电流，温差等效为电路的电压(电位差)，热阻
等效为电路的电阻，热导等效为电路的电导，热容则等效为电路的电容。
在热回路中，
这类似于电路公式：
因此，热容是：
这里没有等效的热电感，这是因为热能不能靠热流量积累起来，热没有惰性[5]。因此，
热流的偏微分方程是扩散方程而不是波动方程，它们仅包括对时间的一阶导数。
热电等效回路的概念为解决稳态和瞬时热流问题提供了一个计算方法。温度可以认为是
引起热流的“电位”。恒温热源等效于理想的电压源。在稳定状态下，电子设备的热耗是恒
定的。这些恒定的热流源等效于理想的电流源。这样热设计的问题就转变为求解热路的各个
参数，计算机计算起来也更加方便。这种等效的方法对热传导的计算非常适用，在非线性的
情况下对流和辐射这类问题也可以适用。
（2）数值分析法
热设计中涉及到的传热过程相当复杂，各种物性参数相互耦合，增加了热设计及热试验
的难度。随着计算机的快速应用发展，数值传热学也相应地飞速进步，依靠计算机辅助的热
分析技术得到广泛应用。
计算机数值分析方法包括：编制程序、计算或测量参数、对传热过程进行模拟等。程序
的适用性应该包括主要热设计情况，如晶体管的散热、密闭或开放式机柜的通风散热以及各
类元器件和系统的热分析。计算机数值分析法的数学基础是有限差分和有限元法，它可以对
各种复杂的形状和结构进行求解，还能处理变物性和变热源的问题，并进行最优化。目前市
场上常见的热分析程序有两大类[10]：
a) 一般的通用数值计算程序。如 PHNIOX、ANSYS、HOT2、NASTRAN、FLUENT 等，它
们并不是专用于热设计，但也可以用来做热分析；
b) 专业的热分析通用程序。如 SINADA、CINDA、CATS 等，这些软件专门对热分析进行
优化，能较精确地进行热分析计算。各种热分析程序的特点如表 1.2 所示：
1.3 热设计步骤以及主要散热方式
1.3.1 热设计步骤
热设计的目的是控制电子设备内的所有电子元器件的温度，使其温度在电子设备所处的
工作环境条件下不超过规定的最高安全温度，并使其温度变化达到最小。具体来说，电子设
备的热设计通常应该遵循下列几个步骤[5]：
(1) 掌握热设计相关的规范和标准；
(2) 确定设备的散热表面、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；
(3) 确定单个发热元器件的发热功率和元器件可靠运行的最高允许温度；
(4) 采用合适的热分析方法进行分析；
(5) 初步选择冷却方案，并对多种方案进行比较；
(6) 进行热设计，并对产品测试其可靠性。
第 2 章 流体和传热的基本方程与有限元格式
2.1 基本方程
热交换及流动现象在诸多工程领域或自然界中时常出现，并具有多种多样的表现形式。
从汽车流线外形的确定到微电子元器件的有效冷却，从航天器重返大气层时外部壳体的保护
到紧凑式换热器中翘片形状的选取，从高层建筑中的空调系统到自然界中雨雪风霜的形成
等，都与传热及流动过程有着密切的联系，而所有这些不同表现形式的流动和传热现象都必
须要遵从以下三个最基本的物理规律：质量、动量和能量守恒定律[20]。
2.1.1 质量守恒方程
质量守恒定律表现在流体中质量守恒即连续性方程。在流场内若取三维笛卡儿坐标系，
连续性方程的表达式如下[21]：
若为定常流动，则式（2-1）中第一项密度对时间的全导数为零，连续性方程可简化为
:
2.1.2 动量守恒方程
对于粘性流体流动，适用于流场中微元控制体的动量守恒方程一般又称为 Navier 一
Stockes方程[22-23]，具体形式如下：
其中[ Π]为总应力张量，表示为：
为了能够得到 N 一 S 方程中各项应力的表达式，Stockes 做了如下的假设:
(1) 流体为各向同性的，且表面应力与单位时间变形率之间的关系不随坐标系的选取而
改变；
(2) 表面应力与流体微团单位时间变形速率之间成线性关系；
(3) 静止流体不产生粘性应力，表面应力即为流体压强，此时应力张量为：
式中：P是热力学参数压强。
由粘性流体的性质，流体微团变形速率张量为：
基于 Stockes 的上述假设，得到表面应力张量的表达式为
:
其中：μ是动力粘度；'μ是待定系数；[ I]是单位张量。
按流体力学中压强的定义，可表示为表面应力张量中三个垂直分量的算术平均，即
将各项垂直分量表达式带入上式中，得到
:
为了消除流体力学中压强可能与热力学压强不同而带来的影响，Stockes 假设：
第 5 章 开式机柜数值模拟优化研究
开式机柜指机柜表面有通风孔的机柜，实际情况中当自然对流散热无法满足机柜内散热
要求时，必须在机柜表面开孔进行自然通风或者强制通风散热。开式机柜内发热元件的自然
冷却主要通过基座的热传导、机柜表面的自然对流散热和辐射换热以自然通风。本章将通过
FLUENT软件，对某机柜内的电子设备的发热元器件的热行为进行分析并优化设计。
5.1 建模
5.1.1 开式机柜的几何模型
本章研究的几何模型如图 5.1 所示，在一个机柜内有 3 个主要的发热元件：变频器，
固态继电器和电源。机柜的尺寸为 500x250x750mm，变频器尺寸为 80x150x150mm，耗散
功率为 100W，固态继电器尺寸为 80x50x120mm，耗散功率为 40W，电源尺寸为
100x50x100mm，耗散功率为 40W。表面热流密度最大为 0.39W/m2，内部元件通风环境又
比较恶劣，自然通风散热已无法满足要求，必须进行强制通风散热。
根据机柜实际情况，3 个大热源排布位置确定，并且顶部不方便开孔。现在底部中心开
半径为 80mm 的孔，右侧面靠近顶端处开 80mm 的孔并安装抽风风机，通风面积比为 0.7.
抽风式风扇直径为 0.16m，其毂直径为 0.08m，空气流量为 0.065m3
5.2 数值模拟
5.2.1 网格划分
用 GAMBIT 绘制开式机柜计算模型的网格全局图如图 5.2 所示，腔体采用结构化网格
和非结构网格相结合的方式划分，附面层加密处理，网格质量最大为 0.5。/s。
5.2.2 控制方程
用 Fluent 数值模拟时采用k − ε湍流模型，一阶迎风格式，流动遵循连续性方程，动量
方程和能量守恒方程。气体设为定常气体。
5.2.3 边界条件
流动的 Re 为 31360，所以流动为湍流，空气入口采用 massflow 边界条件，等价于体
积流量的质量流量为 0.08kg/s，温度为大气环境温度 293.15K，出口为 pressrue-outlet。3 个
2热源采用壁面热流密度边界条件，为 1000W/m，机柜表面采用 convection，自然对流热流
密度设为10W/(m2*K)，自由流温度为大气环境温度 293.15K。
5.2.4 收敛准则
本计算采用 8 核 CPU 进行数值计算，流场的收敛准为 10-3，能量方程的收敛准则为
10-6，计算进行 150 步达到收敛。
5.2.5 计算结果分析
迭代计算完后，将文件导入 tecplot 进行后处理，得到箱体总温图如下：
5.3 影响机柜散热的因素及改进措施
从 5.2 的分析得知在底面中心开孔，风量为 0.066m3/s 的情况下，电源和固态继电器
的散热良好，但是因为变频器的通风情况比较恶劣，散热不够理想，所以首先对变频器散热
进行优化。
5.3.1 风量对元器件散热的影响及改进措施
影响机柜内散热的因素一般有：空气流量，流场分布等。首先我们通过改变风量来进行
数值模拟计算，得到各热源表面最高温度变化如表 5.2 所示：
从表 5.2 可以看出，增大空气流量，虽然电源和继电器最高温度降低很明显，达到了
20℃，但是变频器最高温度变化不是很大，仍然达不到有效工作温度以下，这是因为变频器
右侧离柜体壁太近，通风环境很恶劣，单纯增大流量并没有有效改变流场分布，对散热改进
有限。并且在风量从 0.05m3/s 增加 0.80m3/s 时，变频器最高温度有所上升，这是因为在
0.05m3/s 时变频器右侧面附近空气流速方向向上，而在 0.80m3/s 时，变频器右侧面附近有
从机柜上方过来的热空气，使得本应该上升的热空气往下流动，造成变频器右侧下方热空气
聚集，流过变频器的空气温度增高，造成散热量降低。
5.3.2 底面进风口位置对元器件散热的影响及改进措施
从 5.3.1 的讨论我们可以看出，进风口在底面中心的时候，除了变频器右侧面温度过高，
其他表面的温度都低于 80℃，通过改变空气流量也未能有效提高散热效率，并且增加风量
意味着耗能的增多，风量过大的话甚至会对机柜内的电线造成影响。本小节将通过改变底面
进风口位置来进行数值模拟计算，得到底面进风孔位置与各元器件最高温度的关系如图所
示：
1.1研究背景
近年来,随着电子通讯技术及设备突飞猛进的发展,电子通讯技术在民用!军用的各个领
域均得到了广泛的应用"电子设备!产品的系统集成度愈来愈高,大功耗器件的应用也愈来愈
广泛"电子通讯设备系统的大容量和体积的小型化要求其具有良好的环境适应性(如户外设
备!产品)"为了保证电子元器件以及设备的热可靠性和对温度!压力等恶劣工作环境条件下的
适应能力,电子元器件和设备的热分析和热设计技术得到了相当程度的重视,并取得了深入的
发展"
电子通讯技术的飞速发展对电子设备的体积提出了越来越高的要求,电子设备集成电路
的大功率!小型化要求尤其明显,这增加了电子设备的复杂性及其功能的多样性"一般情况下,
热能耗散是电子通讯设备在工作时的功率损耗的表现形式,所有具有电阻的功率器件都是电
子设备的一个内部热源,电子设备功率件的集成化提高导致了电子设备内部热流密度急剧升
高,导致了功率器件在工作中将会产生很大的温升;同时,电子设备所在工作环境的变化也对
设备内部温度产生相当大的影响,从而影响了电子通讯设备工作的稳定性和可靠性"特别是
在电子器件集成电路的集成度越来越高以及大功率器件应用的情况下导致电子设备的温升
急剧增大,导致电子设备的热可靠性不断降低"各项研究表明,随着设备和元器件的温度不断
升高,其工作失效率表现出成指数增长的趋势,电子元器件的寿命也因此大大缩短,因此对电
子设备进行良好的散热设计,实施高效的热控措施是提高电子通讯设备和各种元器件工作可
靠性的关键措施"在电子通讯行业,电子通讯设备所在工作环境的温度每升高10e,设备故障率
和失效率会增加一个数量级,这就是本行业内的/roe法则[2]"
对各个电子设备的使用统计表明,由于温度过高引起的电子设备失效达到55%甚至更高,
由于设备和元器件过热导致的失效是电子设备的最主要失效形式之一[3]"
2!在电子通讯设备中应用的热设计热分析软件可分为通用软件和专用软件两类"
下表为目前常用的商业软件
"
采用有限差分法!有限元法或有限体积法进行热仿真分析的基本步骤为
:
总之,任何传热问题都不外乎这三种基本的热传递方式=-7],在电子设备结构设计过程中,大多
数情况下都利用了导热!对流和辐射这三种基本传热方式,但在设计中常采用一种作为主要
的传热方式,并以此来进行模块和结构的总体设计"
2.2设备冷却方式
当前的散热设计中,主要有四种散热方式)自然冷却!强迫风冷!强迫液冷!热管冷却
[-/]f.0][20]"
2.2.1自然冷却
在一些热量不太高的组件中,我们可以采用自然冷却技术,它的散热全靠组件自身的热特
性,把在组件上产生的热量通过热传导!对流和辐射转向机壳,再由机壳通过对流或者热辐射
与它周围的空气发生热交换而把热量排开,这样整个组件就会达到冷却的效果"采用此种散
热方式应注意通过改变壳体和设备材料来改善设备内部电子组件和机壳部分的传热能力,并
尽可能的降低在传热过程中各个组件和各个环节的热阻,形成一条热量传递的低热阻通道"这种冷却方式的优点是冷却成本低,可靠性较高"
2.2.2强迫风冷
在一些热流密度比较大,热量较高,而对整个器件温度的要求较高的设备中,比较普遍采用的就是强迫风冷的方法"依照在组件冷却上吹风设备工作方式的不同,又可以分为抽风冷却和鼓风冷却两种方式"当所需要冷却设备中热量分布比较均匀,表面风阻也比较小时,最普遍采用的是抽风冷却方式;反之如果设备中热量的分布不够均匀,通过的表面风阻也较大时,常用的就是鼓风冷却方式"合理的设计和安装风道,根据风道中设备的属性来选择合适的风机,这样将非常有利于提高冷却的效果"强迫风冷还有具有电子元器件易于更换维修!成本低!设备简单等特点,对陆地上使用的散热设备而言,强迫风冷是一种较理想的冷却散热方式"
对于具有散热器的强迫风冷散热设计比较复杂,以下就这种相对复杂的情况给出基本方法和步骤:第一步综合考虑设备结构!风压!成本!散热效率等因素,确定散热器结构;第二步由发热量并根据热平衡方程,初步确定风机;第三步根据设备及散热器结构,确定系统阻力特性曲线"风机的特性曲线与系统阻力特性曲线的交点即为风机的工作点,由此可确定风机的工作风量;第四步确定换热处的空气流动状态,并确定散热器的表面温度"根据散热器的表面温度便可以确定热源温度,使热源温度控制在要求的范围内"经过上述四个步骤的设计计算,若最终所确定的热源温度超过了允许值,则还需调整散热器结构!重新选择风机并重复上述步骤"最终的设计使热源温度控制在允许值以下,并达到散热系统的最优化[2.]"
2.2.3强迫液冷
因为液体导热系数比空气要大,同时它的比热容也超过了空气,这样各个环节的热阻都要比在空气中小,这对于提高冷却效率非常有意义"液冷的热流密度可高达45kw/m2,并且具有热负载均匀,温度梯度较小,机构也比较紧凑等一系列的优点"在采用强迫液冷的冷却设计时,不但要考虑冷却液体的物理特性!电气特性!兼容性和热特性,还要考虑到选择泵的压力等其它工作机械的性能"强迫液冷降温效果好,效率高的优点非常明显,但是其缺点是系统比较繁杂,所需散热设备的体积和重量较大,设备利用率低和维护费用比较高"
2.2.4热管冷却
热管冷却是当今最先进的冷却方式,热管冷却是通过增加散热器件直接作用于组件中,通过散热器件的工作来降低热量,热管冷却效率高,传递热量迅速,但对空间要求高,热管散热器占用空间大[22>"
由于热管技术具有极高的导热性!优良的等温性!热流密度可变性!流动方向的可逆性!恒温特性(可控热管)和良好的环境适应性等优点,可以满足电子电气设备对散热装置紧凑!可靠!控制灵活!高散热效率等要求"而且近些年来热管技术已在电气设备!电子元器件冷却!半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面成功地取得了很多应用成果"
热管的工作原理是:当蒸发段受到外部加热后,热管中的工质开始蒸发,随着蒸发的进行,蒸汽在微小压差的作用下流向热管的冷凝段"蒸汽在冷凝段释放出热量后又冷凝为液体,在压差作用下重新回到蒸发段"如此反复的循环,实现传热的目的"由于热管是相变传热,而且热管内部热阻很小,所以能以较小的温差获得较大的传热率[23]"
2.3冷却方式选择
2.3.1确定冷却方法的原则
在典型的四种冷却方式中,冷却系统的复杂程度按照自然冷却!强迫风冷!强迫液冷和热管冷却的顺序逐次递增,本着简单可靠的原则,在满足散热要求的前提下,尽量选择简单系统"因此,在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却"
2.3.2冷却方式的选择方法
依照GJB/Z27一92电子设备可靠性热设计手册的要求,冷却方式可以根据热流密度与温升要求,按图2.1所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却"
按照初始方案的结构尺寸,计算本系统的热流密度,热流密度是单位面积所传递的热量q,经计算,功放组件阵列的热流密度值落在强迫空气冷却范围内,所以采用强迫风冷可以满足要求"
功放组件阵列作为一个整体,系统散热要综合考虑温度一致性与功放模块最高温度"单个功放组件在设计时,受限于时间进度要求,己经完成设计,设计过程中考虑了整件散热的需求,对功放组件结构及散热方式己经进行了优化设计,保证了组件内部发热器件产生的热量能够顺利的传导出来,因此本文重点考虑系统级即功放组件阵列散热"
3.2.4Icepak软件
IcePak软件是美国Fluent公司开发的一款专用热控分析软件"Fluent公司起源于1983年,是目前全球较有影响的计算流体动力学(CFD)软件商和咨讯服务商"IcePak软件的技术特点可以概括为如下几点:
1.采用计算流体力学所专用的网格技术和有限体积方法及物理模型
IcePak软件应用Flueni公司的网格生成器和解算器,其网格具有非结构化的能力,能够满足对复杂几何域中网格划分的要求"Icepak软件提供了丰富的物理模型,可以模拟自然对流!强迫对流和混合对流!热传导!热辐射!流一固的藕合换热!层流!湍流!稳态!非稳态等流动现象
2.面向热分析工程师
IcePak软件是面向热产品设计和分析工程师的软件,采用热设计分析所专用的机柜!风扇!印刷电路板!阻尼!通风口等数学模型"建模过程非常快捷!网格生成与计算都是自动进行的"整个软件采用统一的集成化的环境界面"使用者能在较短的时间内将该软件应用于实际的设计分析中"该软件也不要求使用者有较深的流体力学知识背景"
3.解决电子系统不同级别的仿真
IcePak作为专业的热分析软件,在产品设计和开发的各个阶段,IcePak都可以帮助做优化设计,可以解决以下问题:
(1)系统级:用于电子设备机箱!机柜以及方舱等系统级问题的热分析;
(2)组件级:用于电子模块!散热器!PCB板级别的热分析;
(3)封装级:用于元器件级别的热分析"
3.3Icepak软件设计流程
热设计是利用热的传递特性,通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度,使其在设备内所处的工作环境条件下,达到系统在规定温度下工作的设计技术t241"电子设备热设计的目的就是要为元器件级!组件级!系统级设备创造良好的热环境,保证设备在规定的环境条件下按预定功能能够正常!可靠工作"因此,热设计就是要在充分掌握各种导致热失效参数的前提下,以较少的冷却代价获得高可靠性的电子设备"
IcePak软件的设计流程如下:
(1)根据课题的要求,确定设备运行的环境条件和最高允许温度;
(2)弄清楚设备的技术条件,主要是设备的发热功率,设备的组成以及设备的使用要求等;
(3)根据课题的要求,先设计一个认为可行的方案"在工cepak软件中设定环境条件,如环境温度,重力因素,分析的精度等;在该文件中创建设备的具体模型,比如风机,发热单元,出风口等,各个单元提供详细的发热功率及几何尺寸;
(4)模型建立完成后,划分并生成网格"网格的划分生成是由软件自动进行的,我们只要设定网格的参数,一般默认可满足要求,如果网格的划分不理想,可以自己设定关键部件的参数;
(5)对初始模型进行计算,根据计算结果,输出可视化速度矢量图!等值面图!粒子轨迹图!网格图!切面云图!点示踪图等;
(6)根据输出的计算结果,可以看到设备的温度分布情况,找出影响设备散热的关键部分,提出改进方案,重新计算,直到达到要求"设备的热分析完成后,根据计算的结果,可以直观地显示诸如最高温度,流速及温度场分布等数据,从而帮助设计和分析人员迅速了解和评估设计方案,决定是否需要修改设计模型,以便得到更为合理的设计方案"热设计的过程是一个反复迭代的过程,一般根据经验分析模型,经过仿真计算后根据结果优化模型,然后再分析,直到模型能达到系统要求为止"
因此，为适应现代电子设备的冷却需要而迅速发展起来的热设计及热分析技术，受到了
广泛的重视。电子设备热技术主要包括热设计、热分析和热测试。
热分析是指用理论或数值模拟的方法对将要设计的电子设备进行分析，它有两条重要的
要求：[6]
(1) 预计各元器件工作的环境温度；
(2) 使热设计最优化，以提高可靠性。
热分析的目的是以最大经济效益来获得热设计所需要的准确信息，由于热分析不需消耗
硬件，因此热分析较热测试成本低；另外，设计阶段热分析可以通过简单的定性分析进行检
查。例如，材料和器件安装位置的改变很容易通过分析来判断是否合理；反之，若通过热测
试来判断，则需一些列的硬件，花费很大。因此，一般用热分析的方法进行评价，以便判断
候选方案是否可取。而热测试通常只用于最有希望选中的设计方案，以便检验预计的结果。
鉴于电子设备热设计技术在保障电子设备可靠运行方面的关键作用，美国 70 年代就颁
发了可靠性热设计手册，以指导军用以及民用电子设备的热设计。欧洲和日本也随后对热设
计开始重视，并发布了一系列的热设计标准和准则。
现在国外在热分析技术方面的发展比较成熟，理论方面有相当丰富的技术积累，应用上
也取得了很多成果。国内由于总体电子科技水平发展比国外落后，在时间的需求上也落后于
国外，所以在电子设备热设计方面的研究大大滞后于国外，但近年来随着 IT 等微电子技术
和航空航天的快速发展，热设计的研究工作开始逐渐增多。
经过数年的努力, 国内电子设备热设计技术的应用已取得了很大的成绩, 自然冷却、风
冷、液冷、蒸发冷却、双相流冷却、热管、热电致冷等技术均已在相应的设备中得到了应用。
我国于 1992 年发布了国家的军用标准 GJB/Z27-92《电子设备可靠性热设计手册》，相继制
订了一系列的电子设备热设计的部标、国标、国军标等标准文件，主要有[7-9]：
（1） 半导体器件散热器技术条件；
（2） 型材散热器、叉指型散热器、印制板组装件温度测试方法；
（3） 电子设备用热管性能测试方法；
（4） 组合散热器、电子设备强迫风冷热特性测试方法；
（5） 电子设备热鉴定程序；
（6） 机载雷达热设计规范；
（7） 电子设备可靠性热设计手册；
（8） 军用电子设备热设计通用规范；
（9） 电子设备热设计名词术语；
（10）机载电子设备与系统热性能鉴定通用要求；
（11）电子测量仪器热分布图等。
这些热设计标准为电子产品的热设计提供了基本的理论和计算方法, 是进行热可靠性
的分析的根本依据,为设备的可靠性提供了保证。
1.2 主要研究方法
现在国内外研究的电器设备中电子元器件热设计和热分析主要有以下几种方法：
（1）电模拟回路法
利用电路分析方法，将热流等效为电路的电流，温差等效为电路的电压(电位差)，热阻
等效为电路的电阻，热导等效为电路的电导，热容则等效为电路的电容。
在热回路中，
这类似于电路公式：
因此，热容是：
这里没有等效的热电感，这是因为热能不能靠热流量积累起来，热没有惰性[5]。因此，
热流的偏微分方程是扩散方程而不是波动方程，它们仅包括对时间的一阶导数。
热电等效回路的概念为解决稳态和瞬时热流问题提供了一个计算方法。温度可以认为是
引起热流的“电位”。恒温热源等效于理想的电压源。在稳定状态下，电子设备的热耗是恒
定的。这些恒定的热流源等效于理想的电流源。这样热设计的问题就转变为求解热路的各个
参数，计算机计算起来也更加方便。这种等效的方法对热传导的计算非常适用，在非线性的
情况下对流和辐射这类问题也可以适用。
（2）数值分析法
热设计中涉及到的传热过程相当复杂，各种物性参数相互耦合，增加了热设计及热试验
的难度。随着计算机的快速应用发展，数值传热学也相应地飞速进步，依靠计算机辅助的热
分析技术得到广泛应用。
计算机数值分析方法包括：编制程序、计算或测量参数、对传热过程进行模拟等。程序
的适用性应该包括主要热设计情况，如晶体管的散热、密闭或开放式机柜的通风散热以及各
类元器件和系统的热分析。计算机数值分析法的数学基础是有限差分和有限元法，它可以对
各种复杂的形状和结构进行求解，还能处理变物性和变热源的问题，并进行最优化。目前市
场上常见的热分析程序有两大类[10]：
a) 一般的通用数值计算程序。如 PHNIOX、ANSYS、HOT2、NASTRAN、FLUENT 等，它
们并不是专用于热设计，但也可以用来做热分析；
b) 专业的热分析通用程序。如 SINADA、CINDA、CATS 等，这些软件专门对热分析进行
优化，能较精确地进行热分析计算。各种热分析程序的特点如表 1.2 所示：
1.3 热设计步骤以及主要散热方式
1.3.1 热设计步骤
热设计的目的是控制电子设备内的所有电子元器件的温度，使其温度在电子设备所处的
工作环境条件下不超过规定的最高安全温度，并使其温度变化达到最小。具体来说，电子设
备的热设计通常应该遵循下列几个步骤[5]：
(1) 掌握热设计相关的规范和标准；
(2) 确定设备的散热表面、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；
(3) 确定单个发热元器件的发热功率和元器件可靠运行的最高允许温度；
(4) 采用合适的热分析方法进行分析；
(5) 初步选择冷却方案，并对多种方案进行比较；
(6) 进行热设计，并对产品测试其可靠性。
第 2 章 流体和传热的基本方程与有限元格式
2.1 基本方程
热交换及流动现象在诸多工程领域或自然界中时常出现，并具有多种多样的表现形式。
从汽车流线外形的确定到微电子元器件的有效冷却，从航天器重返大气层时外部壳体的保护
到紧凑式换热器中翘片形状的选取，从高层建筑中的空调系统到自然界中雨雪风霜的形成
等，都与传热及流动过程有着密切的联系，而所有这些不同表现形式的流动和传热现象都必
须要遵从以下三个最基本的物理规律：质量、动量和能量守恒定律[20]。
2.1.1 质量守恒方程
质量守恒定律表现在流体中质量守恒即连续性方程。在流场内若取三维笛卡儿坐标系，
连续性方程的表达式如下[21]：
若为定常流动，则式（2-1）中第一项密度对时间的全导数为零，连续性方程可简化为
:
2.1.2 动量守恒方程
对于粘性流体流动，适用于流场中微元控制体的动量守恒方程一般又称为 Navier 一
Stockes方程[22-23]，具体形式如下：
其中[ Π]为总应力张量，表示为：
为了能够得到 N 一 S 方程中各项应力的表达式，Stockes 做了如下的假设:
(1) 流体为各向同性的，且表面应力与单位时间变形率之间的关系不随坐标系的选取而
改变；
(2) 表面应力与流体微团单位时间变形速率之间成线性关系；
(3) 静止流体不产生粘性应力，表面应力即为流体压强，此时应力张量为：
式中：P是热力学参数压强。
由粘性流体的性质，流体微团变形速率张量为：
基于 Stockes 的上述假设，得到表面应力张量的表达式为
:
其中：μ是动力粘度；'μ是待定系数；[ I]是单位张量。
按流体力学中压强的定义，可表示为表面应力张量中三个垂直分量的算术平均，即
将各项垂直分量表达式带入上式中，得到
:
为了消除流体力学中压强可能与热力学压强不同而带来的影响，Stockes 假设：
第 5 章 开式机柜数值模拟优化研究
开式机柜指机柜表面有通风孔的机柜，实际情况中当自然对流散热无法满足机柜内散热
要求时，必须在机柜表面开孔进行自然通风或者强制通风散热。开式机柜内发热元件的自然
冷却主要通过基座的热传导、机柜表面的自然对流散热和辐射换热以自然通风。本章将通过
FLUENT软件，对某机柜内的电子设备的发热元器件的热行为进行分析并优化设计。
5.1 建模
5.1.1 开式机柜的几何模型
本章研究的几何模型如图 5.1 所示，在一个机柜内有 3 个主要的发热元件：变频器，
固态继电器和电源。机柜的尺寸为 500x250x750mm，变频器尺寸为 80x150x150mm，耗散
功率为 100W，固态继电器尺寸为 80x50x120mm，耗散功率为 40W，电源尺寸为
100x50x100mm，耗散功率为 40W。表面热流密度最大为 0.39W/m2，内部元件通风环境又
比较恶劣，自然通风散热已无法满足要求，必须进行强制通风散热。
根据机柜实际情况，3 个大热源排布位置确定，并且顶部不方便开孔。现在底部中心开
半径为 80mm 的孔，右侧面靠近顶端处开 80mm 的孔并安装抽风风机，通风面积比为 0.7.
抽风式风扇直径为 0.16m，其毂直径为 0.08m，空气流量为 0.065m3
5.2 数值模拟
5.2.1 网格划分
用 GAMBIT 绘制开式机柜计算模型的网格全局图如图 5.2 所示，腔体采用结构化网格
和非结构网格相结合的方式划分，附面层加密处理，网格质量最大为 0.5。/s。
5.2.2 控制方程
用 Fluent 数值模拟时采用k − ε湍流模型，一阶迎风格式，流动遵循连续性方程，动量
方程和能量守恒方程。气体设为定常气体。
5.2.3 边界条件
流动的 Re 为 31360，所以流动为湍流，空气入口采用 massflow 边界条件，等价于体
积流量的质量流量为 0.08kg/s，温度为大气环境温度 293.15K，出口为 pressrue-outlet。3 个
2热源采用壁面热流密度边界条件，为 1000W/m，机柜表面采用 convection，自然对流热流
密度设为10W/(m2*K)，自由流温度为大气环境温度 293.15K。
5.2.4 收敛准则
本计算采用 8 核 CPU 进行数值计算，流场的收敛准为 10-3，能量方程的收敛准则为
10-6，计算进行 150 步达到收敛。
5.2.5 计算结果分析
迭代计算完后，将文件导入 tecplot 进行后处理，得到箱体总温图如下：
5.3 影响机柜散热的因素及改进措施
从 5.2 的分析得知在底面中心开孔，风量为 0.066m3/s 的情况下，电源和固态继电器
的散热良好，但是因为变频器的通风情况比较恶劣，散热不够理想，所以首先对变频器散热
进行优化。
5.3.1 风量对元器件散热的影响及改进措施
影响机柜内散热的因素一般有：空气流量，流场分布等。首先我们通过改变风量来进行
数值模拟计算，得到各热源表面最高温度变化如表 5.2 所示：
从表 5.2 可以看出，增大空气流量，虽然电源和继电器最高温度降低很明显，达到了
20℃，但是变频器最高温度变化不是很大，仍然达不到有效工作温度以下，这是因为变频器
右侧离柜体壁太近，通风环境很恶劣，单纯增大流量并没有有效改变流场分布，对散热改进
有限。并且在风量从 0.05m3/s 增加 0.80m3/s 时，变频器最高温度有所上升，这是因为在
0.05m3/s 时变频器右侧面附近空气流速方向向上，而在 0.80m3/s 时，变频器右侧面附近有
从机柜上方过来的热空气，使得本应该上升的热空气往下流动，造成变频器右侧下方热空气
聚集，流过变频器的空气温度增高，造成散热量降低。
5.3.2 底面进风口位置对元器件散热的影响及改进措施
从 5.3.1 的讨论我们可以看出，进风口在底面中心的时候，除了变频器右侧面温度过高，
其他表面的温度都低于 80℃，通过改变空气流量也未能有效提高散热效率，并且增加风量
意味着耗能的增多，风量过大的话甚至会对机柜内的电线造成影响。本小节将通过改变底面
进风口位置来进行数值模拟计算，得到底面进风孔位置与各元器件最高温度的关系如图所
示：
1.1研究背景
近年来,随着电子通讯技术及设备突飞猛进的发展,电子通讯技术在民用!军用的各个领
域均得到了广泛的应用"电子设备!产品的系统集成度愈来愈高,大功耗器件的应用也愈来愈
广泛"电子通讯设备系统的大容量和体积的小型化要求其具有良好的环境适应性(如户外设
备!产品)"为了保证电子元器件以及设备的热可靠性和对温度!压力等恶劣工作环境条件下的
适应能力,电子元器件和设备的热分析和热设计技术得到了相当程度的重视,并取得了深入的
发展"
电子通讯技术的飞速发展对电子设备的体积提出了越来越高的要求,电子设备集成电路
的大功率!小型化要求尤其明显,这增加了电子设备的复杂性及其功能的多样性"一般情况下,
热能耗散是电子通讯设备在工作时的功率损耗的表现形式,所有具有电阻的功率器件都是电
子设备的一个内部热源,电子设备功率件的集成化提高导致了电子设备内部热流密度急剧升
高,导致了功率器件在工作中将会产生很大的温升;同时,电子设备所在工作环境的变化也对
设备内部温度产生相当大的影响,从而影响了电子通讯设备工作的稳定性和可靠性"特别是
在电子器件集成电路的集成度越来越高以及大功率器件应用的情况下导致电子设备的温升
急剧增大,导致电子设备的热可靠性不断降低"各项研究表明,随着设备和元器件的温度不断
升高,其工作失效率表现出成指数增长的趋势,电子元器件的寿命也因此大大缩短,因此对电
子设备进行良好的散热设计,实施高效的热控措施是提高电子通讯设备和各种元器件工作可
靠性的关键措施"在电子通讯行业,电子通讯设备所在工作环境的温度每升高10e,设备故障率
和失效率会增加一个数量级,这就是本行业内的/roe法则[2]"
对各个电子设备的使用统计表明,由于温度过高引起的电子设备失效达到55%甚至更高,
由于设备和元器件过热导致的失效是电子设备的最主要失效形式之一[3]"
2!在电子通讯设备中应用的热设计热分析软件可分为通用软件和专用软件两类"
下表为目前常用的商业软件
"
采用有限差分法!有限元法或有限体积法进行热仿真分析的基本步骤为
:
总之,任何传热问题都不外乎这三种基本的热传递方式=-7],在电子设备结构设计过程中,大多
数情况下都利用了导热!对流和辐射这三种基本传热方式,但在设计中常采用一种作为主要
的传热方式,并以此来进行模块和结构的总体设计"
2.2设备冷却方式
当前的散热设计中,主要有四种散热方式)自然冷却!强迫风冷!强迫液冷!热管冷却
[-/]f.0][20]"
2.2.1自然冷却
在一些热量不太高的组件中,我们可以采用自然冷却技术,它的散热全靠组件自身的热特
性,把在组件上产生的热量通过热传导!对流和辐射转向机壳,再由机壳通过对流或者热辐射
与它周围的空气发生热交换而把热量排开,这样整个组件就会达到冷却的效果"采用此种散
热方式应注意通过改变壳体和设备材料来改善设备内部电子组件和机壳部分的传热能力,并
尽可能的降低在传热过程中各个组件和各个环节的热阻,形成一条热量传递的低热阻通道"这种冷却方式的优点是冷却成本低,可靠性较高"
2.2.2强迫风冷
在一些热流密度比较大,热量较高,而对整个器件温度的要求较高的设备中,比较普遍采用的就是强迫风冷的方法"依照在组件冷却上吹风设备工作方式的不同,又可以分为抽风冷却和鼓风冷却两种方式"当所需要冷却设备中热量分布比较均匀,表面风阻也比较小时,最普遍采用的是抽风冷却方式;反之如果设备中热量的分布不够均匀,通过的表面风阻也较大时,常用的就是鼓风冷却方式"合理的设计和安装风道,根据风道中设备的属性来选择合适的风机,这样将非常有利于提高冷却的效果"强迫风冷还有具有电子元器件易于更换维修!成本低!设备简单等特点,对陆地上使用的散热设备而言,强迫风冷是一种较理想的冷却散热方式"
对于具有散热器的强迫风冷散热设计比较复杂,以下就这种相对复杂的情况给出基本方法和步骤:第一步综合考虑设备结构!风压!成本!散热效率等因素,确定散热器结构;第二步由发热量并根据热平衡方程,初步确定风机;第三步根据设备及散热器结构,确定系统阻力特性曲线"风机的特性曲线与系统阻力特性曲线的交点即为风机的工作点,由此可确定风机的工作风量;第四步确定换热处的空气流动状态,并确定散热器的表面温度"根据散热器的表面温度便可以确定热源温度,使热源温度控制在要求的范围内"经过上述四个步骤的设计计算,若最终所确定的热源温度超过了允许值,则还需调整散热器结构!重新选择风机并重复上述步骤"最终的设计使热源温度控制在允许值以下,并达到散热系统的最优化[2.]"
2.2.3强迫液冷
因为液体导热系数比空气要大,同时它的比热容也超过了空气,这样各个环节的热阻都要比在空气中小,这对于提高冷却效率非常有意义"液冷的热流密度可高达45kw/m2,并且具有热负载均匀,温度梯度较小,机构也比较紧凑等一系列的优点"在采用强迫液冷的冷却设计时,不但要考虑冷却液体的物理特性!电气特性!兼容性和热特性,还要考虑到选择泵的压力等其它工作机械的性能"强迫液冷降温效果好,效率高的优点非常明显,但是其缺点是系统比较繁杂,所需散热设备的体积和重量较大,设备利用率低和维护费用比较高"
2.2.4热管冷却
热管冷却是当今最先进的冷却方式,热管冷却是通过增加散热器件直接作用于组件中,通过散热器件的工作来降低热量,热管冷却效率高,传递热量迅速,但对空间要求高,热管散热器占用空间大[22>"
由于热管技术具有极高的导热性!优良的等温性!热流密度可变性!流动方向的可逆性!恒温特性(可控热管)和良好的环境适应性等优点,可以满足电子电气设备对散热装置紧凑!可靠!控制灵活!高散热效率等要求"而且近些年来热管技术已在电气设备!电子元器件冷却!半导体元件以及大规模集成电路板的散热方面成功地取得了很多应用成果"
热管的工作原理是:当蒸发段受到外部加热后,热管中的工质开始蒸发,随着蒸发的进行,蒸汽在微小压差的作用下流向热管的冷凝段"蒸汽在冷凝段释放出热量后又冷凝为液体,在压差作用下重新回到蒸发段"如此反复的循环,实现传热的目的"由于热管是相变传热,而且热管内部热阻很小,所以能以较小的温差获得较大的传热率[23]"
2.3冷却方式选择
2.3.1确定冷却方法的原则
在典型的四种冷却方式中,冷却系统的复杂程度按照自然冷却!强迫风冷!强迫液冷和热管冷却的顺序逐次递增,本着简单可靠的原则,在满足散热要求的前提下,尽量选择简单系统"因此,在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却"
2.3.2冷却方式的选择方法
依照GJB/Z27一92电子设备可靠性热设计手册的要求,冷却方式可以根据热流密度与温升要求,按图2.1所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却"
按照初始方案的结构尺寸,计算本系统的热流密度,热流密度是单位面积所传递的热量q,经计算,功放组件阵列的热流密度值落在强迫空气冷却范围内,所以采用强迫风冷可以满足要求"
功放组件阵列作为一个整体,系统散热要综合考虑温度一致性与功放模块最高温度"单个功放组件在设计时,受限于时间进度要求,己经完成设计,设计过程中考虑了整件散热的需求,对功放组件结构及散热方式己经进行了优化设计,保证了组件内部发热器件产生的热量能够顺利的传导出来,因此本文重点考虑系统级即功放组件阵列散热"
3.2.4Icepak软件
IcePak软件是美国Fluent公司开发的一款专用热控分析软件"Fluent公司起源于1983年,是目前全球较有影响的计算流体动力学(CFD)软件商和咨讯服务商"IcePak软件的技术特点可以概括为如下几点:
1.采用计算流体力学所专用的网格技术和有限体积方法及物理模型
IcePak软件应用Flueni公司的网格生成器和解算器,其网格具有非结构化的能力,能够满足对复杂几何域中网格划分的要求"Icepak软件提供了丰富的物理模型,可以模拟自然对流!强迫对流和混合对流!热传导!热辐射!流一固的藕合换热!层流!湍流!稳态!非稳态等流动现象
2.面向热分析工程师
IcePak软件是面向热产品设计和分析工程师的软件,采用热设计分析所专用的机柜!风扇!印刷电路板!阻尼!通风口等数学模型"建模过程非常快捷!网格生成与计算都是自动进行的"整个软件采用统一的集成化的环境界面"使用者能在较短的时间内将该软件应用于实际的设计分析中"该软件也不要求使用者有较深的流体力学知识背景"
3.解决电子系统不同级别的仿真
IcePak作为专业的热分析软件,在产品设计和开发的各个阶段,IcePak都可以帮助做优化设计,可以解决以下问题:
(1)系统级:用于电子设备机箱!机柜以及方舱等系统级问题的热分析;
(2)组件级:用于电子模块!散热器!PCB板级别的热分析;
(3)封装级:用于元器件级别的热分析"
3.3Icepak软件设计流程
热设计是利用热的传递特性,通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度,使其在设备内所处的工作环境条件下,达到系统在规定温度下工作的设计技术t241"电子设备热设计的目的就是要为元器件级!组件级!系统级设备创造良好的热环境,保证设备在规定的环境条件下按预定功能能够正常!可靠工作"因此,热设计就是要在充分掌握各种导致热失效参数的前提下,以较少的冷却代价获得高可靠性的电子设备"
IcePak软件的设计流程如下:
(1)根据课题的要求,确定设备运行的环境条件和最高允许温度;
(2)弄清楚设备的技术条件,主要是设备的发热功率,设备的组成以及设备的使用要求等;
(3)根据课题的要求,先设计一个认为可行的方案"在工cepak软件中设定环境条件,如环境温度,重力因素,分析的精度等;在该文件中创建设备的具体模型,比如风机,发热单元,出风口等,各个单元提供详细的发热功率及几何尺寸;
(4)模型建立完成后,划分并生成网格"网格的划分生成是由软件自动进行的,我们只要设定网格的参数,一般默认可满足要求,如果网格的划分不理想,可以自己设定关键部件的参数;
(5)对初始模型进行计算,根据计算结果,输出可视化速度矢量图!等值面图!粒子轨迹图!网格图!切面云图!点示踪图等;
(6)根据输出的计算结果,可以看到设备的温度分布情况,找出影响设备散热的关键部分,提出改进方案,重新计算,直到达到要求"设备的热分析完成后,根据计算的结果,可以直观地显示诸如最高温度,流速及温度场分布等数据,从而帮助设计和分析人员迅速了解和评估设计方案,决定是否需要修改设计模型,以便得到更为合理的设计方案"热设计的过程是一个反复迭代的过程,一般根据经验分析模型,经过仿真计算后根据结果优化模型,然后再分析,直到模型能达到系统要求为止"